FUJITSU. 63, 6, p. 706-711 （11, 2012）706

あ ら ま し

近年のネットワークトラフィックの増大に伴い，通信伝送路インフラである多重無線

システムにおいても大容量伝送の要求が高まっている。しかし，従来の多重無線システ

ムでは，広帯域な無線周波数の確保が困難であり，また，変復調技術の限界から複数無

線チャネルの装置が必要となるため大型な装置構成となり，実用には取扱性や経済性で

大きな課題があった。

そこで富士通は，広い周波数帯域の確保が可能なミリ波帯で，大気の減衰特性の影響

を受けにくい70～ 80 GHz帯（E-band）を活用し，原理実証実験で10 Gbpsの無線通信に成功したインパルス無線技術を駆使して大容量伝送（伝送容量：3.6 Gbps）と装置の小型化（4 L，4.5 kg）を実現した。本稿では，E-bandインパルス無線の特徴と主要技術，今回開発した装置の構成と特性，

および適用例について紹介する。

Abstract

With a drastic increase in the amount of network traffic in recent years, there is now greater demand for large-capacity transmission even in multi-radio systems which are infrastructure for communication transmission lines. However, with conventional multiple-radio systems it is difficult to ensure a wide frequency band and in addition equipment is required for multiple radio channels owing to the limitations of modem technology, and this means that systems consist of large devices and there is a big problem in terms of handling and economy before multiple-radio systems can be put to practical use. Hence, Fujitsu used the millimeter-waveband where it is possible to ensure a wide frequency band, and in particular the (E-band) 70–80 GHz band, which is less susceptible to attenuation caused by the atmosphere. We utilized impulse radio technology that successfully achieved 10 Gb/s radio communication in a proof of principle experiment, and developed a very compact (4 L, 4.5 kg) large-capacity transmission device (user data rate: 3.6 Gb/s). This paper introduces the features and key technology of E-band impulse radio, and the configuration and characteristics of the device we developed. It also gives some application examples.

● 林　洋輝　　　● 中舍安宏　　　● 青田正広　　　● 佐藤尚志

大容量ミリ波帯インパルス無線技術

Millimeter-wave Impulse Radio Technology

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大容量ミリ波帯インパルス無線技術

使用して，小さい離隔角度でスター型の配置が可能となる。従来のアップダウンコンバータによる無線技術とインパルス無線技術による差異を図-1に示す。インパルス無線技術は，従来の無線技術で使用している変調器（MOD）・復調器（DEM）と，発振器（PLO）・逓

てい

倍器（MULT）・ミキサー（MIX）から成るアップダウンコンバータが不要で構成が簡単なことから小型化・低消費・低遅延が実現できる。低消費電力のため，自然エネルギーとの組合せも可能であり，環境にやさしいグリーン製品として有用である。小型軽量であることからイベント中継やネットワーク復旧など臨時回線が容易に構築できる。● 主要技術

E-bandの高い周波数でインパルス無線を実現する送受信部の主要技術について以下に述べる。（1） 送信インパルス発生技術富士通研究所が開発した要素技術を使用した極短パルス発生技術により入力信号に応じたインパルス信号を生成する。このインパルス信号からフィルタリングによりE-bandのスペクトラムを抽出

ま　え　が　き

モバイル端末の普及，およびコンテンツの情報量の増加に伴い，通信ネットワークのトラフィックが爆発的に増大している。通信伝送路を支えるインフラである多重無線システムにおいても，光通信同様に伝送容量の大容量化が要求されている。しかし，無線通信の大容量化には，広帯域な無線周波数が必要であり，また，従来の変復調技術では，複数無線チャネルの装置が必要となるため大型な装置構成となり，実用には取扱性や経済性で大きな課題がある。そこで富士通は，周波数を広帯域に利用できるミリ波に着目し，ミリ波の中でも，大気の減衰特性の影響を受けにくい70～ 80 GHz帯（E-band）を活用し，更に変調技術は，搬送波の振幅と位相に情報を変調させる従来技術（QAM変調など）とは全く異なる富士通独自のインパルス無線技術を開発した。本技術は，総務省の委託研究を活用して要素技術を開発し，原理実証実験で10 Gbpsの無線通信に成功した。（1）－（3） この成果をベースに電波制度（4）に沿った無線装置として実用化に向けた開発を行った。その結果，大容量伝送（伝送容量：3.6 Gbps）と装置の小型化（4 L，4.5 kg）を実現した。これにより，従来の無線システムでは通信容量不足から適用が極めて困難であった利用環境においても無線通信の適用が可能となった。本稿では，今回開発したE-bandインパルス無線の特徴，原理を含めた主要技術，装置構成と諸元，およびフィールド実験結果を含めた特性評価，そして，適用例について紹介する。

E-bandインパルス無線

● 特徴周波数が高いミリ波帯は，広帯域の使用が可能なことから大容量伝送に適した周波数帯である。特にE-bandは，「大気の窓」と呼ばれH2OやO2による減衰量が少なく（5）無線通信に適している。また，周波数が高いため直進性が高く，他システムからの干渉を受けにくく，複信方式（71～ 76 GHzと81～ 86 GHz）により，上り方向/下り方向ともに大容量伝送（伝送容量：3.6 Gbps）が可能である。更にアンテナの指向性が高いため，同一周波数を

ま　え　が　き

E-bandインパルス無線

図-1　従来の無線技術とインパルス無線技術の差異

従来の無線技術

GbE GbEDEMMODMIX MIX

N-HPA AGCN-LNA

W-LNA DET LA

MULT MULT

PLO PLO

BPF

RF受信部RF送信部

インパルス無線技術

AGC： オートマチックゲインコントローラBPF： バンドパスフィルタDEM： 復調器DET： 包絡線検波器LA： リミッタアンプMIX： ミキサーMOD： 変調器MULT： 逓倍器N-HPA： ナローバンドハイパワーアンプN-LNA： ナローバンドローノイズアンプPG： パルスジェネレータW-HPA： ワイドバンドハイパワーアンプW-LNA： ワイドバンドローノイズアンプ

GbE

PG BPFW-HPA

GbE

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大容量ミリ波帯インパルス無線技術

（4） フィルタ技術インパルス生成によって周波数領域に広がった成分からE-bandの波束を低歪みで抽出し，かつ不要波を除去するためのフィルタ技術を開発した。インパルス生成から包絡線検波までのインパルス無線技術の原理を図-2に示す。

E-bandインパルス無線装置

● 構成上記技術を用いてE-bandインパルス無線装置を開発した。装置は以下の（1）～（5）のブロックから構成される（図-3）。（1） ベースバンド（BB）部ユーザインタフェース物理層PHY，フォワードエラーコレクション（FEC），無線フレーム生成，監視制御機能から成る。（2） ミリ波送信部インパルス生成部，BPF，RF AMP，HPAから成る。（3） ミリ波受信部

LNA，RF AMP，包絡線検波器から成る。（4） Diplexer（5） 電源部インパルス無線装置の主要諸元を表-1に示す。ユーザインタフェースは，イーサネット（10GまたはG）とCPRI（Common Public Radio Interface）に対応している。イーサネット（10GまたはG）インタフェースは，L2スイッチ機能を有しており，VLAN（Virtual LAN）機能もサポートしている。

OAM（Operation Administration and Maintenance）は，SNMP（Simple Network Management Protocol）

E-bandインパルス無線装置

し，波束を送信する技術を開発した。（2） 受信信号検波技術アナログ回路技術により広帯域のインパルス信号を低歪み，かつ低雑音で波束から包絡線検波する技術を開発した。（3） 広帯域増幅技術送信および受信において，送信電力増幅や検波に必要な入力信号を得るために，広帯域にわたりフラットな周波数特性を有する広帯域増幅技術を開発した。

図-2　インパルス無線技術の原理

周波数

フィルタ通過帯域（5 GHz）

電力 パルス

波束

短パルス

波束

包絡線

データ幅

時間

送信側

受信側

~BBPF-1

図-3　E-bandインパルス無線装置ブロック図

ミリ波送信部

ミリ波受信部

BB部

設定監視制御

電源部

アンテナ

イーサネット

CPRIまたは

OAM（SNMP）（LT）

電源

ユーザインタフェース Diplexer

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大容量ミリ波帯インパルス無線技術

による監視機能とローカルターミナル（LT）による設定・監視・制御機能を有する。伝送容量は，最大3.6 Gbpsであり，伝播距離は，回線条件によるが3 km程度まで使用できる。

E-bandインパルス無線装置の外観を図-4に示す。インパルス無線装置は，ユーザインタフェースを含む送受信一体型のAll in oneの屋外仕様であり，インパルス無線技術の採用によって回路構成が簡単になり，小型・軽量・低消費電力の装置を実現した。これにより，持ち運びやポールへの設置などイージーインスタレーション化を図り，顧客の初期設備工事（CAPEX）および運用保守（OPEX）の効率化に貢献できる。アンテナは，伝送距離に合わせて種々のアンテナから選択する。また，V偏波とH偏波はアンテナをポールへ垂直または水平に取り付けることで選択できる。● 特性評価インパルス無線の試作装置を使用し，以下の特性評価を行った。

（1） 室内伝播による特性評価L2スイッチとHDMI（High Defi nition Multimedia

Interface）-イーサネット変換を用いた画像伝送によるディスプレイへの表示と，カメラとパソコンを利用したリアルタイムのストリーミングの伝送，およびパケット伝送測定器を用いたデータ伝送による複数のギガビットイーサネットパケットを使用した大容量の伝送実験を行った。その結果，画像の乱れやパケットロスもなく，低遅延で複数のギガビットイーサ伝送が確認できた。（2） 屋外伝播による特性評価と環境データインパルス無線の試作装置を使用し，約1.2 kmの伝送距離において特性評価を行った。アンテナは60 cmφアンテナを使用し，インタフェースは10ギガビットイーサネットでパケット伝送測定器により，2.8 Gbpsの伝送容量とした。設置時の方向調整は，アンテナの利得半値幅が1度以下とタイトな角度であるが，実証では比較的簡単に調整ができ，実用性があることを確認した。また，雨量計と温度計を設置し，降雨量を測定しながら無線回線の受信レベルおよびエラーを測定し回線設計値とほぼ合致していることを確認した。（3） 移動基地局との接続評価移動無線基地局のBBU（Base Band Unit）と

RRH（Remote Radio Head）間のCPRI回線にインパルス無線の試作装置を使用し相互接続評価を行った。その結果，BER（Bit Error Rate）劣化もなく移動基地局のバックホールとして使用できることが確認できた。

適　　用　　例

E-bandインパルス無線装置の適用例のイメージを図-5に示す。（6）

（1） 現場中継などイベントなどのライブ中継において，臨時回線としてE-bandインパルス無線装置を使用することで，中継場所から通信局舎までの光ケーブル敷設などが不要となる。更に，大容量伝送により，非圧縮で低遅延のハイビジョン映像信号が伝送可能となる。（2） 河川・湾の横断光ファイバの敷設が困難な河川・湾において，近くに橋などがなく大きく迂回が必要な場合に，

適　　用　　例

表-1　E-bandインパルス無線装置の主要諸元項　目 仕　様

変復調方式 ON-OFF変調，包絡線検波周波数帯域 71-76 GHz，81-86 GHz伝送容量 3.6 Gbps送信電力※ ＋17 dBm伝播距離 ～ 3 kmユーザインタフェース 光 I/F（10G，G，CPRI）

OAM SNMPローカルターミナル

※尖頭値

図-4　E-bandインパルス無線装置の外観

FUJITSU. 63, 6 （11, 2012）710

大容量ミリ波帯インパルス無線技術

適用することで，早期に復旧が可能となる。低消費電力の実現によって，ソーラパネルなどを使用した自然エネルギーによる自立給電システムにも適用可能である。

む　　す　　び

ミリ波帯を活用したE-bandインパルス通信技術の開発により，無線による3.6 Gbpsの大容量伝送が小型の装置で実現できた。これにより，通信ネットワーク内のイーサネット（10GまたはG）あるいはCPRIといった従来では無線の適用が困難であった通信回線への適用が可能となった。これは無線の特徴である機動性をネットワーク内に活用できる範囲を拡大することにつながり，ネットワーク設計の柔軟性向上に貢献できる。今後は，ユーザインタフェースの多様化，自然エネルギーによる自立給電システムとの連携など，適用領域を拡大すべく製品開発を推進する。本研究の一部は，総務省委託研究「電波資源拡大のための研究開発」により実施したものである。

参 考 文 献

（1） 富士通研究所：毎秒10ギガビット超のミリ波帯通信用送信器を開発．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2008/06/19-3.html（2） 富士通研究所：世界初！インパルス無線方式で毎秒

10ギガビット超のミリ波通信に成功． http://pr.fujitsu.com/jp/news/2009/06/11-1.html（3） 富士通研究所：世界最高出力のミリ波W帯向け窒化ガリウムHEMT送信用増幅器の開発に成功．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2010/10/4-1.html（4） 総務省令：第159号告示，平成23年12月13日． http://www.soumu.go.jp/menu_hourei/ s_shourei.html（5） ITU-R：Attenuation by atmospheric gases．

Recommendation P.676-9（02.12）． http://www.itu.int/rec/R-REC-P.676-9-201202-I/en（6） 総務省信越総合通信局：ミリ波高速無線伝送システムに関する調査検討報告書．ミリ波帯高速無線伝送シ

ステムに関する調査検討会，平成22年3月． http://www.soumu.go.jp/soutsu/shinetsu/sbt/kenkyu/ miriha/02_miriha_zenpen.pdf

む　　す　　び

E-bandインパルス無線装置を使用することで河川・湾を横断して高速ネットワークを構築することが可能となる。（3） ビル間通信（企業・大学などの構内網）構内網として，企業・大学・病院などの自営イントラネット構築において，公道越えなどで光配線工事が困難な場合に，E-bandインパルス無線装置を使用することで道路を横断して高速ネットワークを構築することが可能となる。（4） 携帯基地局間通信携帯基地局のネットワークの構築において，公道などの光配線工事が困難な場合やダークファイバの準備期間が長い場合に，工期が短いE-bandインパルス無線装置を適用できる。（5） デジタルデバイド地域山間部の谷渡しやつづら折り道路により光ファイバが敷設困難なところに，工期が短いE-bandインパルス無線装置を適用できる。（6） 光ネットワークの分断対策河川・湾などの橋渡しをする光通信路が災害などで分断した際に，E-bandインパルス無線装置を

図-5　E-bandインパルス無線装置の適用例のイメージ

中継車

ビル間通信 光ネットワ－ク

河川渡し

携帯基地局間通信

分断

自然エネルギー動作

光ネットワ－ク

デジタルデバイド地域

孤島光回線のバックアップ

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大容量ミリ波帯インパルス無線技術

林　洋輝（はやし　ひろき）

ネットワークプロダクト事業本部海外ビジネス事業部 所属現在，海外向け無線機器の方式業務に従事。

中舍安宏（なかしゃ　やすひろ）

基盤技術研究所機能デバイス研究部 所属現在，ミリ波帯デバイスの研究開発に従事。

青田正広（あおた　まさひろ）

富士通ワイヤレスシステムズ（株）技術開発センター 所属現在，ミリ波帯送受信部の開発に従事。

佐藤尚志（さとう　なおじ）

富士通ワイヤレスシステムズ（株）技術開発センター 所属現在，ミリ波帯無線装置の開発に従事。

著 者 紹 介